甲醇气化装置黑水角阀国产化技术应用

边胜利

（中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司仪表中心，宁夏灵武 750409）

0 引言

中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司甲醇运行部气化装置采用GE 公司的徳士古水煤浆气化技术，配置3 台气化炉以烟煤为原料生产甲醇50 万吨/年、10万吨/年一氧化碳、6000 吨/年氢气的一体化项目，高压闪蒸系统黑水角型调节阀采用美国福斯FLOWSERVE Survivor/A ngle，阀门位号：FV-021304A1/B1/C1-2；工艺参数：介质黑水，最大关闭差压6.33 MPaG，温度246 ℃，口径3"，压力等级CL900。

1 高压黑水角型调节阀

2014 年1 月甲醇运行部开始投料生产运行9个月后，6 台高压角阀陆续出现流量无法稳定控制，离线检查发现角阀阀芯、阀座、下阀套冲刷磨损严重，WC 烧结出现损坏，阀门调节性能下降，影响装置运行操作见图1和图2，同时阀门配套的大小头变径法兰颈部文丘里附近出现孔洞，造成气化炉停车或采取带压堵漏修补变径短接见图3和图4。

图1 高压角阀使用前

图2 阀芯阀座磨损

图3 文丘里使用前

图4 文丘里补焊后

2 阀门磨损原因分析

2.1 阀芯损坏情况

阀芯在A，B，C 等3 处有损坏（图2），其中A 处损坏最为严重最大冲刷汽蚀深度3 mm 左右，B 点主要是汽蚀导致尺寸变小5 mm 左右，C 点喷涂层剥落，通过残留看，原来阀门表面耐磨喷涂层小于1 mm。

2.2 阀座损坏情况

阀座E 处见图2，主要是汽蚀导致尺寸变形3 mm 左右，D处主要是冲刷尺寸略微减小。

2.3 损坏分析

角阀处于最小开度时见图5，阀芯B 处距离阀座上表面D距离较小，高压介质在此处形成第一道节流，节流后压力不能迅速恢复到饱和蒸气压以上，故在B 和D 的接触面上形成了闪蒸汽蚀，所以才会看到照片中情况。照片中的冲刷是由于高压含固介质高流速运动，摩擦节流元件表面导致。原阀门采用的是表面喷涂耐磨材料技术，阀芯的基材物理性能和耐磨层的物理性能差别很大，由于耐磨层比较薄，很容易被冲刷一个小口，一旦有小缺口产生耐磨层会慢慢从基材上剥落，从而出现上述现象，另由于采用喷涂技术耐磨层和基材的结合强度，两者硬度差较大，从而本身就比较容易剥落。

图5 角阀开度

3 初次改造方案

2015 年经中心联系国外公司采购备件，厂家报价较高，供货周期27 周，严重影响甲醇运行部检修进度。联系国内阀门制造单位某工厂进行分析阀内件损坏原因，重新计算CV（Circulation Volume，流量系统）值，调整WC（Wolfram Carbide，碳化钨）配比，提高硬度并加工测绘备件，经分析因阀门开度较小，出现闪蒸汽气蚀冲刷，由于高压含固介质高流速运动，当介质通过阀芯达到下阀套时，此时压力降低至介质饱和压力，产生气蚀，加之介质在此时为高流速，因而使介质产生带高能量气泡碰撞阀芯、阀座及下阀套摩擦节流元件表面导致出现闪蒸汽蚀，通过重新设计流道和更改碳化钨配方给予解决，现场测绘重新计算CV 值，调整WC 配比提高硬度加工两套阀内件，使用3 个月下线检查，发现部分阀芯阀座出现磨损现象（图6 和图7）。

图6 国内某工厂阀芯

图7 国内某工厂阀座

4 最终方案

2017 年5 月公司通过浙江理工大学博士研究站、南京自控有限公司及中国石化宁夏能化仪表中心三家联合对角阀的磨损、结构、阀门使用技术攻关，浙江理工大学博士研究站通过研究认为高压角阀在煤化工领域的应用极为广泛，长期承受高温、高压差工况及液—固冲刷，且在减压过程中易发生闪蒸，具有冲蚀磨损和气蚀失效的双重风险。GE 煤化工系统气化和渣水处理装置的黑水角阀在运行过程中出现了严重的阀芯磨损，阀体及阀座后流道冲蚀、气蚀、阀瓣脱落和阀门卡塞等现象，黑水角阀出口的文丘里扩管已出现明显的局部减薄和穿孔现象，不仅影响企业的生产计划、成本与效益，而且还严重威胁着安全生产，已成为制约煤气化装置长周期稳定运行的重要障碍，研究主要项目有黑水系统的工艺过程及失效机理研究；黑水流道液固两相流动磨损预测研究；闪蒸阀文丘里扩管气蚀失效预测研究；管道阀门流动腐蚀失效分析及防控方案研究；管阀系统耐流动腐蚀成套工程优化及运行指南，提供2 种以上黑水角阀系统耐流动腐蚀创新设计方案，确保黑水管阀系统的最大冲蚀磨损率降低20%以上，提供黑水角阀专家诊断监管系统1 套。

2017 年7 月公司通过浙江理工大学博士研究站、南京自控有限公司对南京惠生化工有限公司高压角阀考察，评估高压角阀应用情况，对比现场的实际工况、介质压力、压差、操作过程等，对高压角阀的阀内件损坏的原因进行分析，经分析原因得出由于阀门阀位一直处于小开度调节，介质的流速高，易出现闪蒸汽、气蚀冲刷，由于介质中含有颗粒且高流速运动，当介质（液固）两相流经角阀阀芯与阀座之间的“间隙”减压后夹杂在黑水中的硬质颗粒以切削、梨沟和刺入的方式对阀内件进行高速冲刷形成冲蚀，在节流口处静压能最低，若缩截面处的压力等于或小于该液体入口温度下的饱和蒸汽压时部分气体将气化，使阀门形成气、固、液这三相流共存的现象，出现闪蒸，继而压力恢复至高压饱和蒸汽压时气泡破裂，造成阀芯、上下阀座被冲刷、闪蒸、气蚀形成破坏点，由于流速、阀位、温度等原因加速了阀芯、上下阀座冲刷损坏的速度最终导致阀门由于内件的冲刷、损坏失去调节功能，造成装置无法正常生产。

2018 年3 月中心试用南京自控高压黑水角阀TS271020P-2020 系列，阀门规格型号VPAS-DN80-ANSI900，该高压单座角阀是一种顶导向的单座角阀，流向为侧进底出，进口和出口采用不同的口径，出口口径为扩径，阀体设计为球形，压降损失小，流量大，可调范围广，介质不易在阀体腔内沉积，适用于压差大，介质含有固体颗粒等黑水工艺条件恶劣的场合，阀芯采用整体碳化钨，并采用直径加粗的阀杆导向，提高刚性，抗震抗冲击性能好，阀杆喷涂硬质合金，提高阀门的耐磨性，阀座及下扩散段流道内衬碳化钨，执行机构为气缸执行机构，结构紧凑，输出力大，具有耐冲蚀单座角阀是一种针对煤化工环境下的高压差，介质为含有固体颗粒的液体，存在闪蒸，空化及冲刷严重的场合而设计的高压角阀，经过试用运行周期已超过6 个月，下线检查阀门磨损较小，运行稳定，阀门开度控制在25%左右，达到进口阀门使用周期（图8 和图9）。

图8 使用后的阀芯

图9 使用后的阀座

5 南京自控高压黑水角阀特点

（1）阀门维修方便。阀门的设计考虑到零部件的易更换性，可以在现场方便的更换阀芯、阀杆、阀座和填料等零部件，整阀的维护十分方便。

（2）流道设计流畅。阀体流道采用流线型设计，介质在阀内流动时，没有急转弯或滞流点，可最大限度地减小流阻及冲蚀。

（3）材料选择考究。流体经过阀座喉部时，其压力降低到介质在此温度的饱和蒸汽压以下，介质被气化形成固、液、气三项流，闪蒸介质及固体颗粒冲蚀会对普通材料造成破坏，所以阀头及阀座选择耐冲蚀、耐腐蚀的硬质合金碳化钨。

（4）采用上下导向管结构。上下导向管可以使阀杆更稳定的动作，而且下导向管不但可以刮除粘结在阀杆上附着物，有效地防止填料腔内结硅，又可抑制阀杆振动。

（5）采用弹簧返回式双作用气缸。不用增加储气罐即可实现故障位置的开关，而且增大了阀门的输出力，提高了稳定性以及调节精度。

6 高校课题研究

浙江理工大学博士研究站在2017 年5 月与宁夏能化建立技术项目攻关小组，开展数据收集建立黑水系统管道阀门流动腐蚀预测防控工程优化课题，针对煤化工黑水系统普遍存在的冲蚀磨损和气蚀失效，拟开展含气液相变的气—液—固三相流对黑水角阀及配套文丘里扩管的流动腐蚀机理、数值模拟和实验研究。通过基础理论体系的研究，揭示黑水系统的流动腐蚀机理；结合流体动力学仿真，建立阀门、管道的磨损和气蚀的失效表征和预测方法；通过对冲蚀磨损/气蚀实验数据的回归分析，形成黑水系统流动腐蚀校核方法；基于失效预测及校核方法，针对黑水角阀及配套文丘里扩管开展耐流动腐蚀结构优化，提出黑水系统设计、选材、制造、运行等闭环管理措施，形成具有自主知识产权的黑水系统耐流动腐蚀成套设备及关键技术，从根本上提高黑水系统的运行可靠性和本质安全。

6.1 工作目标

（1）提供黑水角阀系统流动腐蚀失效分析报告，流动腐蚀失效形式≥2 种。

（2）提供2 种以上黑水角阀系统耐流动腐蚀创新设计方案，确保黑水管阀系统的最大冲蚀磨损率降低20%以上。

（3）提供黑水角阀专家诊断监管系统，可实现20 通道以上数据采集，实时动态监测6 种以上失效控制参数；黑水角阀及配套文丘里扩管数据模型，切实提高现有装备的运行适应性、可靠性和安全性。

6.2 研究方法

（1）通过腐蚀调查、腐蚀案例分析，整理流动腐蚀失效基础数据，进行煤化工系统气化和渣水处理过程工艺关联分析，研究黑水角阀系统内操作条件与流动腐蚀状态关联关系，确定影响多相流冲蚀磨损及气蚀的关键因素，明确黑水角阀系统失效机理。

（2）选择典型工况和介质物性参数，针对黑水角阀系统进行流体动力学建模和仿真，获得不同黑水角阀及文丘里扩管处不同区域的流速、压力、相分率等关键流体动力学参数分布规律，确定磨损/气蚀的高危区域。

（3）运用旋转式液固两相流冲蚀磨损实验装置，针对黑水角阀系统不同材料表面硬化工艺，进行不同转速、冲击角度、含固率等对典型材料的冲蚀磨损率影响规律；运用空化水洞试验平台，开展不同进出口压力、流量、阀门开度等工况下的模型阀门的空化实验，提出黑水角阀系统气蚀失效的表征参数和评价方法。

（4）进行液固两相流冲蚀磨损实验以及阀门气液相变实验的数值模拟，将数值计算与实验结果进行对比，验证数值计算模型和方案的准确性，实现定量计算。

（5）进行黑水角阀系统的磨损—气蚀协同作用的失效模式研究，构建的流动预测防控体系，进行冲蚀磨损及气蚀等失效关键参数间的关联分析、数理建模，形成磨损/气蚀的状态监测方案，研发在线诊断监管系统。

（6）基于流动腐蚀预测，对黑水角阀阀芯、阀座、缩流截面、文丘里管扩张角度等进行设计优化，对黑水角阀材料、硬化涂层进行选材优化，提出阀门的设计选材及运行工艺优化方案，形成管阀系统耐气蚀、磨损成套工程优化技术。

6.3 课题意义

黑水系统在煤化工领域的应用极为广泛，是煤气化装置的重要系统之一。该系统长期在高温、高压差及液—固冲刷等严苛工况下运行，且介质在减压过程中易发生闪蒸，具有冲蚀磨损和气蚀失效的双重风险。目前，德士古煤化工系统气化和渣水处理装置的黑水角阀在运行过程中出现了严重的阀芯磨损，阀体及阀座后流道冲蚀、气蚀、阀瓣脱落和阀门卡塞等现象；黑水角阀出口的文丘里扩管已多次出现明显的局部减薄和穿孔泄漏，不仅影响企业的生产计划、成本与效益，而且还严重威胁着安全生产，已成为制约煤气化装置长周期稳定运行的重要障碍。

研究成果在一定程度上促进和提升了黑水系统耐流动腐蚀可靠性的发展，但应用过程仍然存在许多局限性，目前黑水系统管道阀门流动腐蚀的防控方法多集中在材料升级、表面工艺技术提升、流道结构优化等方面。

由于煤化工黑水系统涉及到相变、传质、腐蚀等多因素关联过程，介质成分较为复杂，且流道结构会随着阀门开度和阀芯的损伤而持续变化，目前还缺乏针对性的有效预测防控措施，因此，开展黑水系统的工艺、设计、制造、运行等关键技术的研究攻关，完善流动腐蚀防控体系将是未来一段时间内发展的重心，相关项目研发成果可为煤气化黑水系统的长周期安全运行树立示范，并可推广。

7 效果评价

国内阀门生产单位对高压角阀的技术攻关试用及下线检查，阀内件8 个月内没有出现太大的磨损，截止目前还在使用中，延长了国产阀门使用周期，解决制约煤化工高压角阀长周期运行的关键技术难题。

8 结束语

黑水角阀系统腐蚀防控监测系统构建，在冲蚀磨损—气蚀机理及危害源分析的基础上，结合工艺过程的关联分析及实验获得的流动腐蚀数据库，针对不同材料、操作工况及工艺过程，开展黑水角阀系统的防控体系研究。通过对黑水角阀系统流动腐蚀的实时状态监测，建立材料防腐、设备防腐、工艺防腐，流动腐蚀预测防控等一系列技术创新与闭环管理，实现煤化工装置长周期安全运行。

鉴于黑水系统的原料煤的组分不同工艺操作复杂、运行工况苛刻、介质腐蚀性强，影响设备流动腐蚀失效的因素众多，缺乏针对性的失效控制及预防措施，难以从根本上解决黑水角阀系统的失效难题，而国内各大公司的煤化工系统中均存在黑水角阀的磨损和气蚀失效，已严重影响到煤气化系统的安全生产和长周期运行，因此，对黑水系统运行可靠性的关键性技术需求潜力巨大。

耐冲蚀单座角阀是一种针对煤化工环境下的高压差，介质为含有固体颗粒的液体，存在闪蒸，空化及冲刷严重的场合而设计的高压角阀，国外产品价格昂贵，供货周期长，国内阀门厂家经过实践检验，具有价格低，可靠性高，设计成熟，可以满足工艺条件的需要，是煤化工系统黑水，渣水调节控制的理想替代产品。